高速铁路牵引供电系统课件

高速牵引供电系统

主讲：张丽

西南交通大学电气工程学院

高速牵引供电系统

主讲：张丽

西南交通大学电气工程学院一、牵引供电系统与电力系统的关系二、牵引供电系统供电方式

1、直接供电方式2、吸流变压器（BT）供电方式3、带回流线的直接供电方式4、自耦变压器（AT）供电方式三、牵引变压器接线一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV低压配电网：35/10/0.38kV电力系统结构一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV电力系统结构一、牵引供优质的供、用电应具有以下特征：

(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；

(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；

(3)持续稳定和充足的电能供应；

(4)低廉的电价；

(5)对环境的不良影响较小。电力系统电能质量的基本要求一、牵引供电系统与电力系统的关系优质的供、用电应具有以下特征：电力系统电能质量的基本要求一、GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差GB/T15945-2008电能质量电力系统频率偏差GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡度GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T24337-2009电能质量公用电网间谐波

GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压电能质量国家标准一、牵引供电系统与电力系统的关系GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差电能1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引供电系统牵引网单相工频交流25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变压器220kV或110kV发电机升压变压器高压输电线路降压变压器用电设备降压变压器三相工频交流一、牵引供电系统与电力系统的关系1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引牵引供电系统牵引网单相工牵引供电系统牵引网25kV馈线回流线接触网钢轨一、牵引供电系统与电力系统的关系电力系统牵引变压器电能质量公共连接点（PCC）或供用电协议规定的电能计量点牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）之间通过PCC点的电能质量相互约束。牵引供电系统牵引网25kV馈线回流线接触网钢轨一、牵引供电系一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压偏差GB/T12325—2008电能质量供电电压允许偏差交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。

35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压偏差GB/T一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引牵引馈线回流线接触网钢轨电压损失概念及计算方法压降：压损：矢量差算数差很小，近似工程上一、牵引供电系统与电力系统的关系电压损失概念及计算方法压降：压损：矢量差算数差很小，近似工程计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，XS为负荷端口看出的电网等值相电抗，；

Q为该相线路传输的无功功率，kvar；

UN为线路额定相电压，kV；

为负荷功率因数角，感性负荷取正值。忽略电阻或一、牵引供电系统与电力系统的关系计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下忽略电阻或一、牵引供电按三相负荷，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压，kV；

Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；

ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。一、牵引供电系统与电力系统的关系按三相负荷，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压进一步，计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；

ST为负荷三相容量，kVA；

负荷功率因数角。一、牵引供电系统与电力系统的关系进一步，计算电压偏差一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小无功功率在系统的传输，即提高功率因数：采用交-直-交型电力机车；无功就地补偿一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——谐波牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电源为工频（基波）50Hz的正弦波机车为非线性负载，是谐波电流源25kV负载的非线性使得系统的电压、电流波形发生畸变一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——谐波牵引供电系统一、牵引供电系统与电力系统的关系

根据GB/T14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；

h为谐波次数；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；

UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。一、牵引供电系统与电力系统的关系根据GB/一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小注入系统的谐波电流：采用交-直-交型电力机车；装设滤波器一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压不平衡度牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压不平衡度牵引一、牵引供电系统与电力系统的关系

大功率单相负荷对系统的冲击，要求系统有足够的承受能力。采用单相牵引变电所的负序功率等于牵引负荷功率。GB/T15543-2008三相电压允许不平衡度电力系统公共连接点处的电压不平衡度应满足国家标准（GB/T15543-95）的要求，正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。电压不平衡度一、牵引供电系统与电力系统的关系大功率单相负荷对一、牵引供电系统与电力系统的关系式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；

Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；

UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小负载的不对称性：各牵引变电所的循环换相；平衡变压器；补偿装置。一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系供用电双方的共同努力来维持好的电能质量牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电力系统一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系供用电双方的共同努力来维持好

电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，同时也就反映了该点至恒定电压点之间总电抗的大小。短路容量值越大，说明该点与电源联系越紧密，电气量越稳定。由电铁负荷产生的谐波、负序以及电压波动等问题对电力系统的影响程度都与之密切相关。一、牵引供电系统与电力系统的关系一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级国名铁路名称最高速度(km/h)供电电压(kV)附注日本东海道新干线300275个别站154kV山阳新干线300275个别站154kV北陆新干线300275东北新干线260275个别站154kV上越新干线275275法国巴黎－里昂3002251个站400kV巴黎－图尔3002251个站400kV巴黎－加莱3002251个站400kV里昂－瓦朗斯300225瓦朗斯－马赛350225巴黎－斯特拉斯堡3502251个站400kV一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级西班牙马德里－塞维利亚2502203个站132kV，短路容量不小于2000MVA马德里－巴塞罗那3504003个站220kV高速铁路普遍采用高电压、大容量电源供电。一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)高速铁路变电所陵谷10,140高阳

一洞8,418安山

秋八4,003平泽

清原12,286新清州

沃川7,504沃川

金泉4,325金泉

凡川7,611釜山韩国电力系统最高电压354kV，下一级是154kV，没有220kV的电压等级。由于354kV不能直接给用户供电，所以电铁的电力系统接入电压等级为154kV，但其系统短路容量很大。一、牵引供电系统与电力系统的关系韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗减小，对牵引供电系统的影响：①使得系统电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高。②负序电压、谐波电压畸变对系统的影响相对减小；系统结构发生变化，使得负序电流和谐波电流在系统中的渗透发生改变。③牵引变压器进线短路容量增大。牵引变电所高、低压侧的各种电气设备、开关电器等将承受更大的短路电流。系统短路容量不可能无限制变大，目前部分地区已经因为短路容量太大导致开关选择的困难。一、牵引供电系统与电力系统的关系随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗一、牵引供电系统与电力系统的关系主要有两种方案：（一）源头控制。在干扰负荷主电路上改进，如改交直型机车为交直交机车或动车组，可以从根本上解决诸如功率因数、谐波等问题。（二）综合补偿技术。综合作用：提高功率因数、滤除谐波、减少负序电流。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。一、牵引供电系统与电力系统的关系主要有两种方案：另一方面牵引变电所换相连接

在减小负荷不对称造成的负序电流方面，欧洲各国大都采用单相变压器，为减小单相牵引负荷在电力系统中的电流不平衡，各变电所采取按相序轮换方式接入系统，使全区达到平衡的措施。法国为改善不平衡状态，最初采用Scott平衡变压器，但没能解决电压不平衡对电力系统的影响。后来，随着电网的发展，全部以单相变压器代替，并且使用轮换相序接入电力系统，使不同变电所产生的负序电流部分抵消，削弱了电铁产生的负序电流。一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所换相连接一、牵引供电系统与电力系统的关系单相牵引变电所换相连接方案1：由3台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电力系统的关系单相牵引变电所换相连接电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电方案2：由6台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电力系统的关系方案2：由6台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供Vv接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为、、、等。两相邻变电所间分区所的供电分区的电压相同。（2）所有变电所变压器副边以同名端接地。一、牵引供电系统与电力系统的关系Vv接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系采用平衡变压器

与法国不同，日本采用Scott接线或变形WB接线的平衡变压器，变压器一次侧不换相接入电源。当两个供电臂上的负荷完全相同时，一次侧就不会产生负序电流，利用这种特殊接线方式的变压器来消除电气化铁路负荷不对称对电力系统所造成的影响。一、牵引供电系统与电力系统的关系日本RPC平衡变次边电流两供电臂负载电流采用平衡变压器一、牵引供电系统与电力系统的关系日本RPC平衡1、直接供电方式（TR）二、牵引供电系统供电方式结构简单，投资最少，维护费用低。直接供电方式的钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大。改进供电方式目标：①降低钢轨电位；②减小对弱电系统的电磁干扰。③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，变电所数量更少，减小分相数量。25kV1、直接供电方式（TR）二、牵引供电系统供电方式结构简单，投2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网中串接吸流变压器，间隔约1.5km-4km。吸流变压器变比：1：1；回流线与接触网同杆架设牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIIIBT供电方式实现目标：①长回路中钢轨电位降为0；②长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。III25kV2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网串入吸流变压器牵引网阻抗增大供电臂电压损失增大供电臂末端电压水平降低为了保证机车电压水平，缩短供电臂的距离牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kVIII2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式供电臂距离缩短BT串入处接触导线分段外部电源投资增大分相数量增多变电所的数量增多影响高速列车运行的安全性及列车速度BT供电方式没有实现的目标：③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。BT供电方式不适合高速列车的运行。牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kVIII2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式供电臂3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式回流线与接触网同杆架设，两组导线之间有互感，钢轨电流部分由回流线回流。带回流线的直接供电方式实现目标：相对直接供电方式，①钢轨电位一定程度上有所降低；②电磁干扰一定程度上有所减小。IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式回流线与钢轨并联牵引网阻抗减小供电臂电压损失减小供电臂末端电压水平提高供电臂的距离增长约30%IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式供电臂距离增长外部电源投资减小分相数量减小变电所的数量减少有利于列车高速运行兼顾了直接供电方式的简单可靠。带回流线的直接供电方式实现的目标：③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），变电所数量更少，减小分相数量。IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nn自耦变压器器两端绕组匝数相等；理想变压器正馈线与接触线同杆架设。I/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nn自4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式减少对通信线的干扰，降低通信线路迁改费用；钢轨电位降低。AT供电方式实现目标：①长回路中钢轨电位降为0；②长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式减少对4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式电源电压提高一倍输电电压提高一倍S=UI电流降为1/2阻抗降为1/4（实际略大）传输相同功率电压损失降为1/4nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式电源电4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kVAT供电方式实现的目标：③具有最强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。AT供电方式适合于高速列车的运行。4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nnI世界主要高速铁路国家电铁供电方式二、牵引供电系统供电方式50Hz/60Hz、25kV牵引供电方式（300～350km/h）1996年日本山阳新干线300km/hAT1983年法国TGV东南线300km/hAT+直供1990年法国TGV大西洋线300km/hAT1994年法国TGV北方线300km/hAT2001年法国TGV地中海线350km/hAT2003年韩国汉城——釜山300km/hAT2004年西班牙马德里——巴塞罗那350km/hAT2004年意大利都灵——佛罗伦萨300km/hAT2008年意大利罗马——那不勒斯300km/hAT高速铁路普遍采用AT供电方式世界主要高速铁路国家电铁供电方式二、牵引供电系统供电方式50三、牵引变压器接线应用于（带回流线）直接供电方式的主要有：单相接线、Vv接线、YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge、阻抗匹配平衡接线接线等)应用于AT供电方式的主要有：日本模式的AT：三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)法国模式的AT：单相接线、Vx接线、十字交叉接线三、牵引变压器接线应用于（带回流线）直接供电方式的主要有：(A)(B)CT单相变压器(C)CTVv变压器(A)(B)CTScott变压器(C)(A)(B)直接供电方式的牵引变压器接线(A)(B)CT单相变压器(C)CTVv变压器(A)(B)CCTYNd11变压器(C)(A)(B)(c)(a)(b)直接供电方式的牵引变压器接线CTYNd11变压器(C)(A)(B)(c)(a)(b)直接AT55kV日本模式（京秦线采用）Scott变压器馈线加ATCF(C)(A)(B)三、牵引变压器接线AT55kV日本模式（京秦线采用）Scott变压器CF(CAT2×27.5kV法国模式（京津线采用）CFT单相变压器(A)(B)CTFVx变压器(C)(A)(B)三、牵引变压器接线AT2×27.5kV法国模式（京津线采用）CFT单相变压器b2b1a1c1a2c2两台YNd11接入相别：(A1)(A2)//(B1)(C2)//(C1)(B2)CTFACB十字交叉变压器(C1)(A1)(B1)(c1)(a1)(b1)(C2)(A2)(B2)(c2)(a2)(b2)三、牵引变压器接线b2b1a1c1a2c2两台YNd11接入相别：CTFACB目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相变压器。意大利、新西兰采用单相接线牵引变压器法国TGV采用单相和Vv接线变压器日本东海道新干线采用Scott接线山阳新干线采用Modified-Woodbridge接线变压器台湾高速铁路采用的是LeBlanc接线变压器三、牵引变压器接线目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相系统变换：从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换

通过系统变换，可以获得一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。三、牵引变压器接线系统变换：从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的以接入AB线电压为例原边绕组匝数次边绕组匝数CAB1、纯单相（Ii）牵引变压器三、牵引变压器接线以接入AB线电压为例原边绕组匝数次边绕组匝数CAB1、纯单相原次边电流关系不对称系数对称分量法三、牵引变压器接线原次边电流关系不对称系数对称分量法三、牵引变压器接线归算到负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST

：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压三、牵引变压器接线归算到负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短路容归算到负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST

：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压三、牵引变压器接线归算到负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短路容2、Vv牵引变电所CAB单相Vv接线即两台单相变压器连接成开口三角形三、牵引变压器接线2、Vv牵引变电所CAB单相Vv接线即两台单相变压器连接成原边绕组匝数次边绕组匝数以接入AB和BC间线电压为例CAB三、牵引变压器接线原边绕组匝数次边绕组匝数以接入AB和BC间线电压为例CAB三不对称系数设则三、牵引变压器接线不对称系数设则三、牵引变压器接线归算到负荷端口的等值电路模型CAB三、牵引变压器接线归算到负荷端口的等值电路模型CAB三、牵引变压器接线端口电压方程式三、牵引变压器接线端口电压方程式三、牵引变压器接线归算到两个负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST

：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压三、牵引变压器接线归算到两个负荷端口的变电所等值电路Sk：电力系统（原边）短3、三相-两相平衡变压器

平衡变压器通常是指那种具有变压和换相功能的三相——两相变压器，目的是消除或削弱负序。数学上是三相对称系统与两相对称系统之间的变换。

三相对称：三相电气相量大小相等，相位互差120ο两相对称：两相电气相量大小相等，相位互差90ο三、牵引变压器接线3、三相-两相平衡变压器平衡变压器通常是指那种具

接线方式缩写接线简图ScottSCTLeBlancLBLModifiedLeBlancMLBküblerKBLWood-BridgeWBRModifiedWood-BridgeMWBAutoWoodBridgeAWB三、牵引变压器接线

接线方式缩写接线简图ScottSCTLeBlancLBLM（1）Scott接线DABCScott接线变压器底（M）座绕组原边接入电力系统AB相（线电压），高（T）座绕组原边一端接底绕组的中点D，另一端接入C相。三、牵引变压器接线（1）Scott接线DABCScott接线变（2）变比关系DABC底座原、次边绕组匝数分别为、高座原、次边匝数分别为、底座绕组的变比高座绕组的变比三、牵引变压器接线（2）变比关系DABC底座原、次边绕组匝数分别为、DABCScott接线电压相量图原边电压0D次边电压三、牵引变压器接线DABCScott接线电压相量图原边电压0D次边电压三、牵引以原边相电压为参考则底（M）座电压高（T）座原边电压0D三、牵引变压器接线以原边相电压为参考则底（M）座电压高（T）座原边电压0D三、底座绕组的变比高座绕组的变比DABC0D当原边线电压为220kV次边为55kV时三、牵引变压器接线底座绕组的变比高座绕组的变比DABC0D当原边线电压为220（3）电流变换关系及变换阵DABC电流平衡和磁势平衡关系式三、牵引变压器接线（3）电流变换关系及变换阵DABC电流平衡三、牵引变压器接如果则三相对称三、牵引变压器接线如果则三相对称三、牵引变压器接线Scott变电所端口等值电路忽略电阻三、牵引变压器接线Scott变电所端口等值电路忽略电阻三、牵引变压器接线接线

特点YNd11接线简单，技术成熟，价格较低原边带接地中性点，副边可提供三相动力电源；副边三角形可提供三次谐波通道，谐波特性较好；容量利用率低对电力系统负序影响较大单相接线最简单，高压侧仅需引入两路进线，对于低压母线侧的载流能力要求最高;可取消所端分相，利于高速行车;原边无接地中性点，绕组间为全绝缘;容量利用率最高，安装容量最小;正常情况下，对电力系统负序影响最大;Vv接线简单，材料利用率高；原边无接地中性点，绕组间全绝缘隔离；容量利用率较高；对电力系统负序影响较大；接线特点YNd11接线简单，接线

特点YN/d11接线简单，技术成熟，价格较低原边带接地中性点，副边可提供三相动力电源；副边三角形可提供三次谐波通道，谐波特性较好；容量利用率低对电力系统负序影响较大Vx1.接线简单，可取消馈线AT，对于低压母线侧的载流能力要求较高;2.原边无接地中性点，绕组间为全绝缘，次边可提供三相动力电源;3.容量利用率高，安装容量小;4.对电力系统负序影响同十字交叉接线相当;三相/两相平衡变接线较复杂，制造及工艺要求较高；Wood-Bridge接线原边有接地中性点，副边有三角形接线，可提供三次谐波通道，有效降低谐波影响；Scott原边无中性点，中性点电位易发生偏移；容量利用率较高；能有效降低负序对电力系统的影响。接线特点YN/d11接线简单高速牵引供电系统

主讲：张丽

西南交通大学电气工程学院

高速牵引供电系统

主讲：张丽

西南交通大学电气工程学院一、牵引供电系统与电力系统的关系二、牵引供电系统供电方式

1、直接供电方式2、吸流变压器（BT）供电方式3、带回流线的直接供电方式4、自耦变压器（AT）供电方式三、牵引变压器接线一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV低压配电网：35/10/0.38kV电力系统结构一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV电力系统结构一、牵引供优质的供、用电应具有以下特征：

(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；

(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；

(3)持续稳定和充足的电能供应；

(4)低廉的电价；

(5)对环境的不良影响较小。电力系统电能质量的基本要求一、牵引供电系统与电力系统的关系优质的供、用电应具有以下特征：电力系统电能质量的基本要求一、GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差GB/T15945-2008电能质量电力系统频率偏差GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡度GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T24337-2009电能质量公用电网间谐波

GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压电能质量国家标准一、牵引供电系统与电力系统的关系GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差电能1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引供电系统牵引网单相工频交流25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变压器220kV或110kV发电机升压变压器高压输电线路降压变压器用电设备降压变压器三相工频交流一、牵引供电系统与电力系统的关系1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引牵引供电系统牵引网单相工牵引供电系统牵引网25kV馈线回流线接触网钢轨一、牵引供电系统与电力系统的关系电力系统牵引变压器电能质量公共连接点（PCC）或供用电协议规定的电能计量点牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）之间通过PCC点的电能质量相互约束。牵引供电系统牵引网25kV馈线回流线接触网钢轨一、牵引供电系一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压偏差GB/T12325—2008电能质量供电电压允许偏差交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。

35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压偏差GB/T一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引牵引馈线回流线接触网钢轨电压损失概念及计算方法压降：压损：矢量差算数差很小，近似工程上一、牵引供电系统与电力系统的关系电压损失概念及计算方法压降：压损：矢量差算数差很小，近似工程计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，XS为负荷端口看出的电网等值相电抗，；

Q为该相线路传输的无功功率，kvar；

UN为线路额定相电压，kV；

为负荷功率因数角，感性负荷取正值。忽略电阻或一、牵引供电系统与电力系统的关系计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下忽略电阻或一、牵引供电按三相负荷，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压，kV；

Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；

ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。一、牵引供电系统与电力系统的关系按三相负荷，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压进一步，计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；

ST为负荷三相容量，kVA；

负荷功率因数角。一、牵引供电系统与电力系统的关系进一步，计算电压偏差一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小无功功率在系统的传输，即提高功率因数：采用交-直-交型电力机车；无功就地补偿一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——谐波牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电源为工频（基波）50Hz的正弦波机车为非线性负载，是谐波电流源25kV负载的非线性使得系统的电压、电流波形发生畸变一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——谐波牵引供电系统一、牵引供电系统与电力系统的关系

根据GB/T14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；

h为谐波次数；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；

UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。一、牵引供电系统与电力系统的关系根据GB/一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小注入系统的谐波电流：采用交-直-交型电力机车；装设滤波器一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压不平衡度牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压不平衡度牵引一、牵引供电系统与电力系统的关系

大功率单相负荷对系统的冲击，要求系统有足够的承受能力。采用单相牵引变电所的负序功率等于牵引负荷功率。GB/T15543-2008三相电压允许不平衡度电力系统公共连接点处的电压不平衡度应满足国家标准（GB/T15543-95）的要求，正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。电压不平衡度一、牵引供电系统与电力系统的关系大功率单相负荷对一、牵引供电系统与电力系统的关系式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；

Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；

UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小负载的不对称性：各牵引变电所的循环换相；平衡变压器；补偿装置。一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引牵引馈一、牵引供电系统与电力系统的关系供用电双方的共同努力来维持好的电能质量牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电力系统一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系供用电双方的共同努力来维持好

电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，同时也就反映了该点至恒定电压点之间总电抗的大小。短路容量值越大，说明该点与电源联系越紧密，电气量越稳定。由电铁负荷产生的谐波、负序以及电压波动等问题对电力系统的影响程度都与之密切相关。一、牵引供电系统与电力系统的关系一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级国名铁路名称最高速度(km/h)供电电压(kV)附注日本东海道新干线300275个别站154kV山阳新干线300275个别站154kV北陆新干线300275东北新干线260275个别站154kV上越新干线275275法国巴黎－里昂3002251个站400kV巴黎－图尔3002251个站400kV巴黎－加莱3002251个站400kV里昂－瓦朗斯300225瓦朗斯－马赛350225巴黎－斯特拉斯堡3502251个站400kV一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级西班牙马德里－塞维利亚2502203个站132kV，短路容量不小于2000MVA马德里－巴塞罗那3504003个站220kV高速铁路普遍采用高电压、大容量电源供电。一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)高速铁路变电所陵谷10,140高阳

一洞8,418安山

秋八4,003平泽

清原12,286新清州

沃川7,504沃川

金泉4,325金泉

凡川7,611釜山韩国电力系统最高电压354kV，下一级是154kV，没有220kV的电压等级。由于354kV不能直接给用户供电，所以电铁的电力系统接入电压等级为154kV，但其系统短路容量很大。一、牵引供电系统与电力系统的关系韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗减小，对牵引供电系统的影响：①使得系统电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高。②负序电压、谐波电压畸变对系统的影响相对减小；系统结构发生变化，使得负序电流和谐波电流在系统中的渗透发生改变。③牵引变压器进线短路容量增大。牵引变电所高、低压侧的各种电气设备、开关电器等将承受更大的短路电流。系统短路容量不可能无限制变大，目前部分地区已经因为短路容量太大导致开关选择的困难。一、牵引供电系统与电力系统的关系随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗一、牵引供电系统与电力系统的关系主要有两种方案：（一）源头控制。在干扰负荷主电路上改进，如改交直型机车为交直交机车或动车组，可以从根本上解决诸如功率因数、谐波等问题。（二）综合补偿技术。综合作用：提高功率因数、滤除谐波、减少负序电流。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。一、牵引供电系统与电力系统的关系主要有两种方案：另一方面牵引变电所换相连接

在减小负荷不对称造成的负序电流方面，欧洲各国大都采用单相变压器，为减小单相牵引负荷在电力系统中的电流不平衡，各变电所采取按相序轮换方式接入系统，使全区达到平衡的措施。法国为改善不平衡状态，最初采用Scott平衡变压器，但没能解决电压不平衡对电力系统的影响。后来，随着电网的发展，全部以单相变压器代替，并且使用轮换相序接入电力系统，使不同变电所产生的负序电流部分抵消，削弱了电铁产生的负序电流。一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所换相连接一、牵引供电系统与电力系统的关系单相牵引变电所换相连接方案1：由3台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电力系统的关系单相牵引变电所换相连接电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电方案2：由6台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供电系统与电力系统的关系方案2：由6台单相变构成相别循环电分相上承受电压为一、牵引供Vv接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为、、、等。两相邻变电所间分区所的供电分区的电压相同。（2）所有变电所变压器副边以同名端接地。一、牵引供电系统与电力系统的关系Vv接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系采用平衡变压器

与法国不同，日本采用Scott接线或变形WB接线的平衡变压器，变压器一次侧不换相接入电源。当两个供电臂上的负荷完全相同时，一次侧就不会产生负序电流，利用这种特殊接线方式的变压器来消除电气化铁路负荷不对称对电力系统所造成的影响。一、牵引供电系统与电力系统的关系日本RPC平衡变次边电流两供电臂负载电流采用平衡变压器一、牵引供电系统与电力系统的关系日本RPC平衡1、直接供电方式（TR）二、牵引供电系统供电方式结构简单，投资最少，维护费用低。直接供电方式的钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大。改进供电方式目标：①降低钢轨电位；②减小对弱电系统的电磁干扰。③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，变电所数量更少，减小分相数量。25kV1、直接供电方式（TR）二、牵引供电系统供电方式结构简单，投2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网中串接吸流变压器，间隔约1.5km-4km。吸流变压器变比：1：1；回流线与接触网同杆架设牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIIIBT供电方式实现目标：①长回路中钢轨电位降为0；②长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。III25kV2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网串入吸流变压器牵引网阻抗增大供电臂电压损失增大供电臂末端电压水平降低为了保证机车电压水平，缩短供电臂的距离牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kVIII2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式接触网2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式供电臂距离缩短BT串入处接触导线分段外部电源投资增大分相数量增多变电所的数量增多影响高速列车运行的安全性及列车速度BT供电方式没有实现的目标：③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。BT供电方式不适合高速列车的运行。牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kVIII2、BT(吸流变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式供电臂3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式回流线与接触网同杆架设，两组导线之间有互感，钢轨电流部分由回流线回流。带回流线的直接供电方式实现目标：相对直接供电方式，①钢轨电位一定程度上有所降低；②电磁干扰一定程度上有所减小。IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式回流线与钢轨并联牵引网阻抗减小供电臂电压损失减小供电臂末端电压水平提高供电臂的距离增长约30%IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方式供电臂距离增长外部电源投资减小分相数量减小变电所的数量减少有利于列车高速运行兼顾了直接供电方式的简单可靠。带回流线的直接供电方式实现的目标：③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），变电所数量更少，减小分相数量。IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)二、牵引供电系统供电方4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nn自耦变压器器两端绕组匝数相等；理想变压器正馈线与接触线同杆架设。I/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nn自4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式减少对通信线的干扰，降低通信线路迁改费用；钢轨电位降低。AT供电方式实现目标：①长回路中钢轨电位降为0；②长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式减少对4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式电源电压提高一倍输电电压提高一倍S=UI电流降为1/2阻抗降为1/4（实际略大）传输相同功率电压损失降为1/4nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式电源电4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kVAT供电方式实现的目标：③具有最强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。AT供电方式适合于高速列车的运行。4、AT(自耦变压器)供电方式二、牵引供电系统供电方式nnI世界主要高速铁路国家电铁供电方式二、牵引供电系统供电方式50Hz/60Hz、25kV牵引供电方式（300～350km/h）1996年日本山阳新干线300km/hAT1983年法国TGV东南线300km/hAT+直供1990年法国TGV大西洋线300km/hAT1994年法国TGV北方线300km/hAT2001年法国TGV地中海线350km/hAT2003年韩国汉城——釜山300km/hAT2004年西班牙马德里——巴塞罗那350km/hAT2004年意大利都灵——佛罗伦萨300km/hAT2008年意大利罗马——那不勒斯300km/hAT高速铁路普遍采用AT供电方式世界主要高速铁路国家电铁供电方式二、牵引供电系统供电方式50三、牵引变压器接线应用于（带回流线）直接供电方式的主要有：单相接线、Vv接线、YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge、阻抗匹配平衡接线接线等)应用于AT供电方式的主要有：日本模式的AT：三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)法国模式的AT：单相接线、Vx接线、十字交叉接线三、牵引变压器接线应用于（带回流线）直接供电方式的主要有：(A)(B)CT单相变压器(C)CTVv变压器(A)(B)CTScott变压器(C)(A)(B)直接供电方式的牵引变压器接线(A)(B)CT单相变压器(C)CTVv变压器(A)(B)CCTYNd11变压器(C)(A)(B)(c)(a)(b)直接供电方式的牵引变压器接线CTYNd11变压器(C)(A)(B)(c)(a)(b)直接AT55kV日本模式（京秦线采用）Scott变压器馈线加ATCF(C)(A)(B)三、牵引变压器接线AT55kV日本模式（京秦线采用）Scott变压器CF(CAT2×27.5kV法国模式（京津线采用）CFT单相变压器(A)(B)CTFVx变压器(C)(A)(B)三、牵引变压器接线AT2×27.5kV法国模式（京津线采用）CFT单相变压器b2b1a1c1a2c2两台YNd11接入相别：(A1)(A2)//(B1)(C2)//(C1)(B2)CTFACB十字交叉变压器(C1)(A1)(B1)(c1)(a1)(b1)(C2)(A2)(B2)(c2)(a2)(b2)三、牵引变压器接线b2b1a1c1a2c2两台YNd11接入相别：CTFACB目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相变压器。意大利、新西兰采用单相接线牵引变压器法国TGV采用单相和Vv接线变压器日本东海道新干线采用Scott接线山阳新干线采用Modified-Woodbridge接线变压器台湾高速铁路采用的是LeBlanc接线变压器三、牵引变压器接线目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相系统变换：从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换

通过系统变换，可以获得一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。三、牵引变压器接线系统变换：从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的以接入AB线电压为例原边绕组匝数次边绕组匝数CAB1、纯单相（Ii）牵引变压器三、牵引变压器接线以接入AB线电压为例原边绕组匝数次边绕组匝数CAB1、纯单相原